尝试台上，一个朴直的塑料盒静静地躺着，盒内堆满了数不清的塑料薄片。几近每一个薄片上都用记号笔标识表记标帜着一串清楚的数字：“908、909、910……1018、1019……” 这些薄片是衡文正在尝试中利用的电化学传感器，其上标识表记标帜的数字对应着每次尝试的日期与处置体例。为了确保传感器的机能到达抱负状况，一样的尝试，衡文正已反复进行了1000屡次。 近日，这位95后科研青年，收成了人生中的第一篇Science论文。衡文正地点的研究团队开辟了一种名为EBCare（呼气冷凝物阐发与呼吸评估）的机械柔性微流体智能口罩，可以经由过程捕获并阐发呼吸气体中的化学物资或份子，监测哮喘、慢性梗阻性肺病等呼吸系统疾病和尿素、酒精等在人体的代谢进程。该智能器件便携、低本钱，为将来的临床和医学研究供给了壮大而有用的东西。 衡文恰是这篇论文的第一作者，他的身份是美国加州理工学院工程与利用科学部医学工程系博士生。同校医学工程系传授高伟为该论文通信作者。 呼吸不但承当着摄取氧气和排出二氧化碳以保持新陈代谢的主要使命，还包含着丰硕的心理和病理信息。 例如，糖尿病患者呼出的气体中丙酮份子较多，可能有生果味或腐臭生果味。一样，肾病患者因为血液中尿素代谢不顺畅，可能致使呼出的气体中含有较高浓度的氨气，有近似尿液的味道。 2020年，新冠疫情囊括全球。本来打算赴加州理工学院攻读博士的衡文正，受此影响滞留国内，经由过程线上讲课开启了他的博士研究生活生计。 衡文正留意到，虽然呼吸和匹敌呼吸道疾病对公共健康相当主要，但人们对平常呼吸健康的监测常常有所轻忽。他意想到，这类研究价值与社会存眷度的落差，恰好包含着庞大的研究潜力和社会影响。 今朝，年夜多呼吸监测仍局限在物理旌旗灯号的搜集，而对活动性强的气态样本进行收集和阐发是极具挑战性的。呼气冷凝物（Exhaled breath condensate，EBC) 是一种立异的采样体例，包括可溶性气态和蔼溶胶、小液滴等非挥发性生物标记物，可以此实现个性化医疗保健。 可是在临床实践中，EBC依靠在贸易冷凝器或专用冷凝仪器，需专业人员依照尺度流程操作实现收集，然后送到尝试室进行专业检测。是以，很难将EBC引入家庭健康检测，人力、时候和经济本钱都是挑战。 在这项最新研究中，衡文正和研究团队开辟了一种名为EBCare的智能口罩，实现了可穿着式EBC检测。它设计简便，重量仅为4g，还能与平常利用的口罩搭配，利用者只需将装备器件装配到口罩上便可。 低本钱是这项研究最主要的研究亮点之一。相较在其他专业装备，EBCare的本钱可能仅为其1%乃至千分之一。这对手艺的年夜规模推行和在社会各层面的利用相当主要。 “只有本钱足够低，医学东西才能被更多人利用，从而取得足够的数据来验证其有用性，更有益在鞭策手艺的进一步成长。”衡文警告诉《中国科学报》。 该智能口罩由3个焦点功能构成：呼吸冷凝、冷凝液传输，和电化学检测。当利用者佩带时，其呼出的气体味在口罩内部主动冷凝。然后，内置的微流体装配会搜集冷凝液，并传送到传感器腔室进行阐发。最后，数据及时发送到佩带者经常使用的电子装备上。 这3个功能的协同感化，使EBCare成为一个集成的智能呼吸监测系统，简化了传统EBC检测中复杂的操作进程，犹如在口罩中搭建了一个微型“呼吸检测室”，使检测进程加倍便捷和高效。 在EBCare的研究中，每一个功能的开辟都面对着细微且极具立异性的挑战。此中，最辣手的挑战之一是界面亲水性质的节制，它决议了若何将冷凝后的液体有用地指导到传感器腔室。 “开初，我们利用了疏水性材料，发现液体在界面上构成了球状滴，而不是活动成薄膜状，这使得冷凝液体没法高效地传输到腔室。这个问题一度困扰了我们好久。”衡文正说。 为冲破瓶颈，团队尽量测验考试了分歧的材料和搀杂比例。颠末年夜量尝试，他们发现，掺入必然比例的亲水性材料，将界面革新成亲水性，会促使冷凝液体构成持续的水膜，而不是凝聚成球状，终究使得冷凝和传输进程可以或许顺遂进行。 但是，与此同时，传感器的开辟也面对新的挑战。“我们发现，传感器的不变性、响应时候、活络度、尺寸巨细，和经久度等诸多机能，都需要优化与衡量。”衡文正注释说。 衡文正其实不是一个完善主义者，但在做科研这件事上，他始终连结着一丝不苟的立场。“传感器优化这一步调，我们反复进行了1000屡次。”他注释道，“由于只有不竭地测验考试和查验，才能让传感器各方面机能到达比力抱负的状况。” 衡文正指出，解决这些问题的要害在在“测验考试”。在他看来，测验考试是科研必备的要素。测验考试不但仅是随机操作，更是有打算的尝试进程。 “测验考试之前需要进行尝试成果的猜测。虽然我们有理论阐发，但实践中的成果有时会偏离预期。经由过程对尝试成果的表象进行深切阐发，可以辨认出影响尝试结果的要害身分。”衡文正注释道。 霸占手艺难关仅仅是迈过了第一道“坎”。对衡文正来讲，接下来的每次医学临床实验都是对其耐力和毅力的极年夜考验。 实验前，团队需要提早一到两周制备数十个传感器和所需的材料、装备。实验当天，他们凌晨6点起床，驱车1个小时赶往医学中间，与大夫沟通调和，并进行装备调试和数据收集。全部实验进程延续8到9个小时，半途几近没有时候吃饭。实验竣事后，他们又马不断蹄返回尝试室，最先数据验证和阐发，工作延续到深夜10点多。 其间，当研究团队将设计好的EBCa开云体育appre试用在真实病患时，发现良多要害问题并未在初始设计中获得充实斟酌。 凡是环境下，当病人站立佩带EBCare口罩时，冷凝液体味在重力感化下，天然流入检测腔室正常工作。可是当病人躺卧时，因为重力不足以驱动液体活动，装备没法延续检测活动的液体，只能获得一个初始值的数据。 研究团队与临床大夫的合作无懈，为应对这项挑战阐扬了要害感化。“这项研究的合著者之一是一名临床研究大夫，有丰硕的临床经验，他提出了很多要害的临床问题和需求，为装备的设计和改良供给了主要的反馈。”衡文正说。 按照这些反馈，团队针对装备在病人卧床时没法延续检测的问题，进行了从头设计。他们经由过程改良装备的微布局，操纵毛细感化梯度来鞭策液体的更新和活动。如许，即便在病人持久卧床的环境下，也能实现液体的延续更新和冷凝。 2023年年末，研究团队投稿给Science编纂部。第二天即被送审，两个月后，他们收到了4位审稿人的答复。 整体上，审稿定见是积极的，没有发现任何致命的缺点或严重问题。可是，此中一名专注在临床医学范畴问题的审稿人指出，但愿看到更多的临床数据，包罗更年夜范围、分歧种类的病人群体和更长时候的随访，以验证研究功效的靠得住性和合用性。 “我们的研究焦点首要集中在医学器件，固然触及了必然量的临床病人数据，但审稿人等候的数据量和研究规模更方向在临床医学，必然水平上偏离了这项研究的大旨。”衡文正说。 研究团队很是正视审稿人提出的问题。在接下来的三个月中，他们积极应对审稿定见，弥补了更多的临床数据，不但知足了审稿人对临床实验的要求，还确保了研究的整体标的目的和主题不产生底子性改变。 “我们极力增添病人样本量，但同时连结研究的焦点标的目的不变。我们的方针是找到一个公道的均衡点，既能增晋升临床数据的质量与数目，又不会偏离研究的焦点标的目的。”衡文警告诉《中国科学报》。 2024年5月，研究团队提交了点窜稿。这一次，论文很快被Science编纂部顺遂领受。这项“接地气”的研究也因其紧贴公共糊口，且极具立异性，在颁发以后敏捷博得了普遍存眷。 小时辰，衡文正就热中在拆卸和组装。对那些重大而复杂的工程机械，和林林总总的车辆，他老是怀揣着无尽的好奇心和摸索欲。 2016年，他考入浙江年夜学，并选择了与本身爱好慎密相连的机械电子工程专业。“机械电子工程属在工科年夜类，更能知足我酷爱脱手组装的小我爱好，或是小发现、小缔造的设法。” 在本科时代，经由过程介入尝试室研究，衡文正对电子和机械范畴有了加倍深切的领会，不但把握了一些主要的研究东西和利用，也逐步明白了本身的研究标的目的——可穿着装备。 跟着学术爱好的不竭成长，衡文正意想到，置身在分歧的科研空气和研究热门中，也许可觉得他的学术成长带来更普遍的视角和更多的机遇。 在寻觅博士生导师的进程中，衡文正被加州理工学院高伟课题组的研究标的目的所吸引。该课题组高度跨学科，专注在开辟用在根本和利用生物医学研究的多功能生物电子装备。 课题组的研究标的目的与衡文正的科研爱好和方针高度契合。2020年本科卒业后，他跟随高伟攻读博士。 “高教员是一个很是友爱且存眷学生成长的导师，他在学生的学术成长上表示出极高的责任感和撑持力度。不管是审稿、投稿，仍是尝试设计和方案指点，高教员都竭尽全力地供给帮忙，很是注意。”衡文正说。 导师的小我气概常常深入地影响实在验室的工作空气和研究标的目的。高伟具有多学科布景，其带领的尝试室是一个典型的跨学科研究情况，集聚了化学、材料、电子等多个学科的研究人员。 在如许的多学科交叉布景下，团队成员不但能专注在各自的项目，还能经由过程相互合作应对跨学科的挑战。恰是这类跨学科的怪异优势，为EBCare的研发供给了强有力的撑持。 除此以外，高伟答应学生提出各类分歧的设法和设计，他对分歧的学术思惟老是持开放立场。这类对立异的撑持和对尝试的注意指点，影响了衡文正，极年夜地增进了他的科研前进和小我成长。 再次回首科研过程，衡文正暗示，科研不但需要解决当前的问题，更要存眷其久远价值。“我认为做科研的人，应当想得更年夜一些。想得更年夜其实不意味着夸张且不切现实，而是专注在加倍要害的问题。” 这类宏不雅视角使得科研工作不但仅是应对面前的手艺挑战，更是将研究功效与社会需乞降影响慎密连系，从而对社会发生深远的影响。 “科研工作是经由过程深切思虑，在广漠视野下鞭策科学前进和社会成长的主要路子。”衡文正弥补道。